DE102015100215A1 - Side channel blower for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Es sind Seitenkanalgebläse für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Strömungsgehäuse (10, 12), einem Laufrad (16), welches drehbar im Strömungsgehäuse (10, 12) angeordnet ist, Laufradschaufeln (32), die am radial äußeren Bereich des Laufrades (16) ausgebildet sind und nach radial außen offen ausgebildet sind, einem radialen Spalt (50) zwischen dem Laufrad (16) und einer das Laufrad (16) radial umgebenden Gehäusewand (42), einem Einlass (18) und einem Auslass (30) sowie zwei den Einlass (18) mit dem Auslass (30) verbindende Förderkanäle (20, 22) für ein Gas, die axial gegenüberliegend zu den Laufradschaufeln (32) im Strömungsgehäuse (10, 12) ausgebildet sind und über Zwischenräume zwischen den Laufradschaufeln (32) fluidisch miteinander verbunden sind, einer Antriebseinheit (14), über die das Laufrad (16) antreibbar ist, einem Unterbrechungsbereich (40) zwischen dem Auslass (30) und dem Einlass (18), in dem die Förderkanäle (20, 22) in Umfangsrichtung unterbrochen sind, bekannt. Um den Wirkungsgrad derartiger Seitenkanalgebläse zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die Laufradschaufeln (32) im Querschnitt derart V-förmig ausgebildet sind, dass die Laufradschaufeln (32) sich in Drehrichtung geneigt zur Drehachse in Richtung ihres gegenüberliegenden Förderkanals (20, 22) erstrecken.There are side channel blower for internal combustion engines with a flow housing (10, 12), an impeller (16) which is rotatably disposed in the flow housing (10, 12), impeller blades (32) formed at the radially outer portion of the impeller (16) and are formed radially outwardly open, a radial gap (50) between the impeller (16) and the impeller (16) radially surrounding housing wall (42), an inlet (18) and an outlet (30) and two the inlet (18 ) conveying channels (20, 22) for gas, communicating with the outlet (30), which are formed axially opposite the impeller blades (32) in the flow housing (10, 12) and are fluidly interconnected via spaces between the impeller blades (32), a drive unit (14), via which the impeller (16) can be driven, an interruption region (40) between the outlet (30) and the inlet (18), in which the delivery channels (20, 22) are interrupted in the circumferential direction ind, known. In order to increase the efficiency of such side channel blower, it is proposed that the impeller blades (32) are V-shaped in cross-section, that the impeller blades (32) extend in the direction of rotation inclined to the axis of rotation in the direction of its opposite conveying channel (20, 22).
Description
Die Erfindung betrifft ein Seitenkanalgebläse für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Strömungsgehäuse, einem Laufrad, welches drehbar im Strömungsgehäuse angeordnet ist, Laufradschaufeln, die am radial äußeren Bereich des Laufrades ausgebildet sind und nach radial außen offen ausgebildet sind, einem radialen Spalt zwischen dem Laufrad und einer das Laufrad radial umgebenden Gehäusewand, einem Einlass und einem Auslass sowie zwei den Einlass mit dem Auslass verbindende Förderkanäle für ein Gas, die axial gegenüberliegend zu den Laufradschaufeln im Strömungsgehäuse ausgebildet sind und über Zwischenräume zwischen den Laufradschaufeln fluidisch miteinander verbunden sind, einer Antriebseinheit, über die das Laufrad antreibbar ist und einem Unterbrechungsbereich zwischen dem Auslass und dem Einlass, in dem die Förderkanäle in Umfangsrichtung unterbrochen sind.The invention relates to a side channel blower for an internal combustion engine with a flow housing, an impeller which is rotatably disposed in the flow housing, impeller blades which are formed on the radially outer portion of the impeller and are formed radially outwardly open, a radial gap between the impeller and a Impeller radially surrounding housing wall, an inlet and an outlet and two the inlet to the outlet connecting gas delivery channels, which are axially opposite to the impeller blades in the flow housing and are fluidly interconnected via gaps between the impeller blades, a drive unit via which the Impeller is drivable and an interruption area between the outlet and the inlet, in which the conveying channels are interrupted in the circumferential direction.
Seitenkanalgebläse oder -pumpen sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Im Kraftfahrzeug dienen sie beispielsweise zur Förderung von Kraftstoff oder zum Einblasen von Sekundärluft in das Abgassystem oder zur Förderung von Wasserstoff für PEM-Brennstoffzellensysteme. Der Antrieb erfolgt üblicherweise über einen Elektromotor, auf dessen Ausgangswelle das Laufrad angeordnet ist. Es sind Seitenkanalgebläse bekannt, bei denen lediglich ein Förderkanal an einer axialen Seite des Laufrades in einem Gehäuseteil ausgebildet ist, als auch Seitenkanalgebläse, bei denen an beiden axialen Seiten des Laufrades ein Förderkanal ausgebildet ist, wobei dann beide Förderkanäle fluidisch miteinander verbunden sind. Bei einem derartigen Seitenkanalgebläse ist einer der Förderkanäle zumeist in einem als Deckel dienenden Gehäuseteil ausgebildet, während der andere Förderkanal in dem Gehäuseteil ausgebildet ist, an dem üblicherweise die Antriebseinheit befestigt ist, an deren Welle das Laufrad zumindest drehfest angeordnet ist. Das Laufrad ist an seinem Umfang im Wesentlichen derart ausgebildet, dass es mit dem ihm das Laufrad umgebenden Förderkanal oder den umgebenden Förderkanälen einen oder zwei umlaufende Wirbelkanäle bildet. Side channel blowers or pumps are well known and described in a variety of applications. In the motor vehicle, they serve, for example, for conveying fuel or for blowing secondary air into the exhaust system or for conveying hydrogen for PEM fuel cell systems. The drive is usually via an electric motor, on the output shaft, the impeller is arranged. There are side duct blowers are known in which only one conveyor channel is formed on one axial side of the impeller in a housing part, as well as side channel blower in which a delivery channel is formed on both axial sides of the impeller, then both conveyor channels are fluidly interconnected. In such a side channel blower one of the delivery channels is usually formed in a serving as a lid housing part, while the other delivery channel is formed in the housing part to which usually the drive unit is attached to the shaft of which the impeller is arranged at least rotationally fixed. The impeller is formed at its periphery substantially such that it forms with the surrounding him the impeller conveyor channel or the surrounding conveyor channels one or two circumferential vortex channels.
Bei Seitenkanalgebläsen mit zwei axial gegenüberliegenden Wirbelkanälen sind die Laufradschaufeln über einen radialen Abschnitt axial in zwei dem jeweils gegenüberliegenden Förderkanal zugeordnete Abschnitte unterteilt. Zwischen den Laufradschaufeln werden Taschen ausgebildet, in denen das geförderte Fluid bei Drehung des Laufrades durch die Laufradschaufeln eine Beschleunigung in Umfangsrichtung sowie in radialer Richtung erhält, so dass im Förderkanal eine umlaufende Wirbelströmung entsteht. Ein Überströmen von einem Förderkanal zum anderen kommt bei radial offen ausgebildeten Laufrädern zumeist über den Spalt zwischen dem radialen Ende des Laufrades und der radial gegenüberliegenden Seitenwand zustande.In side channel blowers with two axially opposed swirl ducts, the impeller vanes are divided axially over a radial section into two sections associated with the respective opposite conveying channel. Between the impeller blades pockets are formed, in which receives the pumped fluid upon rotation of the impeller through the impeller blades acceleration in the circumferential direction and in the radial direction, so that in the delivery channel, a circumferential vortex flow. An overflow from one delivery channel to the other comes about in the case of radially open wheels mostly via the gap between the radial end of the impeller and the radially opposite side wall.
Um eine möglichst gute Förderung beziehungsweise Druckerhöhung zu erhalten, sind bei der Förderung von Gasen und Flüssigkeiten unterschiedliche Maßnahmen aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens bei der Förderung kompressibler oder nicht beziehungsweise gering kompressibler Medien getroffen worden. In order to obtain the best possible promotion or pressure increase, different measures have been taken in the promotion of gases and liquids due to the different behavior in the promotion of compressible or non or low-compressible media.
Des Weiteren ist bei der Förderung in Seitenkanalgebläsen die Geräuschentwicklung zu beachten, denn es treten akustisch störende Druckstöße unmittelbar nach dem Überstreichen jeder Laufradschaufel am Anfang des Unterbrechungsbereiches auf, da in den Taschen zwischen den Laufradschaufeln noch verdichtetes Gas vorhanden ist, welches nicht vollständig über den Auslass ausgestoßen wurde und beim Erreichen des Unterbrechungsbereiches plötzlich gegen dessen Wände beschleunigt wird. Dies führt zu deutlich erhöhten Geräuschemissionen.Furthermore, in the promotion in side channel blower noise is to be noted, because it acoustically disturbing pressure surges immediately after sweeping each impeller blade at the beginning of the interruption area, as in the pockets between the impeller blades still compressed gas is present, which is not completely on the outlet was ejected and is accelerated when reaching the interruption area suddenly against the walls. This leads to significantly increased noise emissions.
Zur Erhöhung des Förderdrucks wird in der
Des Weiteren ist aus der
Derartig geneigte und voneinander getrennte Schaufeln sind auch aus einem Laufrad einer Seitenkanalpumpe für ein inkompressibles Medium bekannt. Zusätzlich weist dieses Laufrad eine radial begrenzende Seitenwand auf.Such inclined and separate blades are also known from an impeller of a side channel pump for an incompressible medium. In addition, this impeller has a radially limiting side wall.
Alle diese Gebläse und Pumpen sind jedoch bezüglich ihrer Förderrate beziehungsweise bezüglich der möglichen Druckerhöhung nicht optimal. However, all these blowers and pumps are not optimal in terms of their delivery rate or with respect to the possible pressure increase.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Seitenkanalgebläse zu schaffen, mit dem die Förderrate beziehungsweise der Förderdruck weiter erhöht werden kann, ohne den Durchmesser oder die Drehzahl weiter zu erhöhen, indem die Strömungsverhältnisse in den Förderkanälen und im Laufrad optimiert werden beziehungsweise bei gleichen Förderraten eine geringere Stromaufnahme des Antriebs zu gewährleisten. Zusätzlich soll dieses Gebläse für verschiedene Anwendungen und Förderraten geeignet sein und eine möglichst geringe Geräuschentwicklung aufweisen.It is therefore an object to provide a side channel blower with which the delivery rate or the delivery pressure can be further increased without increasing the diameter or speed further by the flow conditions in the delivery channels and the impeller are optimized or at the same flow rates to ensure lower power consumption of the drive. In addition, this fan should be suitable for various applications and delivery rates and have the lowest possible noise.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. This object is achieved by the characterizing part of the main claim.
Entgegen der Erwartungen wird eine solche Optimierung bei der Förderung kompressibler Medien durch ein Seitenkanalgebläse erreicht, bei dem die Laufradschaufeln im Querschnitt derart V-förmig ausgebildet sind, dass die Laufradschaufeln sich in Drehrichtung geneigt zur Drehachse in Richtung ihres gegenüberliegenden Förderkanals erstrecken. Gleichzeitig ist das Laufrad im radial außen liegenden Bereich sowohl axial als auch radial offen ausgebildet, so dass das Gas in der axialen Mitte der Schaufel gesammelt und beschleunigt wird, was sich als Vorteil für die Ausbildung der Spiralströmung erwiesen hat, wobei ein stetiger Austausch zwischen den beiden Förderkanälen möglich ist. Ein derartiges Seitenkanalgebläse weist einen höheren Wirkungsgrad auf und deckt einen weiten Bereich an Arbeitspunkten ab.Contrary to expectations, such optimization in the delivery of compressible media is achieved by a side channel blower in which the impeller vanes are V-shaped in cross-section such that the impeller blades extend in the direction of rotation inclined to the axis of rotation in the direction of its opposite conveyor channel. At the same time, the impeller is formed in the radially outer region both axially and radially open, so that the gas is collected and accelerated in the axial center of the blade, which has proven to be an advantage for the formation of the spiral flow, with a steady exchange between the two delivery channels is possible. Such a side channel blower has a higher efficiency and covers a wide range of operating points.
Eine optimale Neigung der Schaufeln zur Drehachse beträgt 5° bis 20° in Drehrichtung des Laufrades. Bei einem derartigen Winkel wird ein besonders guter Wirkungsgrad erzielt, da ein optimaler Druck im Innern der Schaufeln erzielt wird.An optimal inclination of the blades to the axis of rotation is 5 ° to 20 ° in the direction of rotation of the impeller. At such an angle, a particularly good efficiency is achieved, since an optimal pressure inside the blades is achieved.
Vorzugsweise sind die Laufradschaufeln in ihrem radial äußeren Endbereich in Drehrichtung des Laufrades zum radial innen angrenzenden Zwischenbereich der Laufradschaufeln geneigt ausgebildet. Hierdurch wird eine bei der radialen Bewegung des Mediums nach außen eine zusätzliche Beschleunigung erzeugt, durch die der Wirkungsgrad zusätzlich verbessert wird.Preferably, the impeller blades are inclined in their radially outer end region in the direction of rotation of the impeller to the radially inwardly adjacent intermediate region of the impeller blades. As a result, an additional acceleration is generated during the radial movement of the medium to the outside, through which the efficiency is further improved.
In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist der radiale Endbereich der Laufradschaufeln zur radialen Richtung 5° bis 20° in Drehrichtung geneigt ausgebildet und der daran angrenzende Zwischenbereich der Laufradschaufeln um 5° bis 20° entgegen der Drehrichtung geneigt zur radialen Richtung ausgebildet. Bei diesen Anstellwinkeln ergeben sich optimierte Wirkungsgrade des Gebläses.In a further development of the invention, the radial end portion of the impeller blades is inclined to the radial direction 5 ° to 20 ° inclined in the direction of rotation and the adjoining intermediate portion of the impeller blades by 5 ° to 20 ° counter to the direction of rotation inclined to the radial direction. These angles of attack result in optimized efficiencies of the blower.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung beträgt der radiale Spalt zwischen dem Endbereich der Laufradschaufeln und der radial das Laufrad umgebenden Gehäusewand im Bereich der Förderkanäle dem 0,03 bis 0,1-fachen des Laufraddurchmessers. Dies bedeutet, dass der Spalt im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich verringert wurde, was wider Erwarten im Zusammenhang mit den entsprechend geformten Laufradschaufeln zu verbesserten Ergebnissen führt.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the radial gap between the end region of the impeller blades and the housing wall radially surrounding the impeller in the region of the conveying channels is 0.03 to 0.1 times the impeller diameter. This means that the gap has been significantly reduced in comparison to known designs, which leads contrary to expectations in connection with the correspondingly shaped impeller blades to improved results.
Bei dieser Ausformung des Laufrades hat es sich zusätzlich als positiv erwiesen, wenn der Auslass sich im Strömungsgehäuse tangential von den Förderkanälen aus erstreckt und einen kreisrunden Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen dem Querschnitt der Förderkanäle entspricht. Diese Ausbildung verringert die entstehenden Geräuschemissionen und führt zu einer guten Abfuhr des Förderstroms und somit ebenfalls zu hohen Förderraten.In this embodiment of the impeller, it has additionally proved to be positive when the outlet extends in the flow housing tangentially from the conveyor channels and has a circular cross-section which substantially corresponds to the cross section of the conveyor channels. This training reduces the resulting noise emissions and leads to a good discharge of the flow and thus also to high flow rates.
In einer weiterführenden Ausführungsform ist in Höhe der Verbindung zwischen den beiden Schenkeln der V-förmigen Laufradschaufeln eine Trennwand ausgebildet, welche sich radial über den Zwischenbereich der Laufradschaufeln erstreckt, der an den Endbereich angrenzt. Hierdurch werden Druckverluste durch ein axiales Zusammenströmen der beiden Gasströme aus den beiden Förderkanälen am radial inneren Rand der Laufradschaufeln beziehungsweise der Förderkanäle verhindert.In a further embodiment, at the level of the connection between the two legs of the V-shaped impeller vanes, a dividing wall is formed which extends radially across the intermediate region of the impeller vanes which adjoins the end region. As a result, pressure losses are prevented by an axial confluence of the two gas streams from the two delivery channels at the radially inner edge of the impeller blades or the delivery channels.
Es wird somit ein Seitenkanalgebläse geschaffen, bei dem im Vergleich zu bekannten Seitenkanalgebläsen für kompressible Medien die Förderrate beziehungsweise die mögliche Druckerhöhung verbessert werden oder der Stromverbrauch bei gleichen Förderraten reduziert wird, so dass der Wirkungsgrad verbessert wird. Gleichzeitig wird ein sehr breiter Leistungsbereich durch eine Gebläsegröße abgedeckt und Geräuschemissionen vermindert.Thus, a side channel blower is provided in which compared to known side channel blowers for compressible media, the delivery rate or the potential pressure increase can be improved or the power consumption is reduced at the same flow rates, so that the efficiency is improved. At the same time, a very wide power range is covered by a blower size and noise emissions are reduced.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Seitenkanalgebläses ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An embodiment of a side channel blower according to the invention is shown in the figures and will be described below.
Das in
Vom Einlass
Das Laufrad
Um zuverlässig eine Kurzschlussströmung entgegen der Drehrichtung des Laufrades
Die im Lagergehäuse
Durch umlaufende korrespondierende Stege
Die Laufradschaufeln
Der Außendurchmesser der Förderkanäle
Die Größe dieses Spaltes
Zusätzlich sind die Laufradschaufeln
Bei Drehung des Laufrades
Es wird somit ein Seitenkanalgebläse für kompressible Medien geschaffen, welches hohe Differenzdrücke und Volumenströme erzeugt, ohne dass ein erhöhter Energiebedarf besteht, so dass der Wirkungsgrad im Vergleich zu bekannten Gebläsen verbessert wird. Zusätzlich kann alleine durch Änderung der Drehzahl eine Vielzahl verschiedener Arbeitspunkte mit einem Gebläse angefahren werden, ohne dass schlechte Wirkungsgrade entstehen. It is thus created a side channel blower for compressible media, which generates high differential pressures and flow rates, without an increased energy requirement, so that the efficiency compared to known blowers is improved. In addition, a variety of different operating points can be approached with a blower alone by changing the speed without bad efficiencies.
Es sollte jedoch deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen des im Ausführungsbeispiel beschriebenen Seitenkanalgebläses möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So können der Antrieb, der Ein- und Auslass, die Unterbrechungs- und Auslasskonturen oder die Befestigungs- und Abdichtstrukturen modifiziert werden. Weitere Änderungen sind ebenfalls denkbar.However, it should be clear that various modifications of the side channel blower described in the embodiment are possible without departing from the scope of the main claim. Thus, the drive, the inlet and outlet, the interruption and outlet contours or the attachment and sealing structures can be modified. Other changes are also conceivable.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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